.
baoduongcokhi.com
THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT.
1
.
THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT. 1. Giớ i thiệu chung: Truyề Truyền nhiệ nhiệt là quá trình vậ v ận chuyể chuyển nhiệ nhiệt từ từ một lư lưu thể thể này sang lư lưu thể thể khác. Quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt là quá trình mộ m ột chiề chiều, dòng nhiệ nhiệt chỉ chỉ truyề truyền từ t ừ vùng có nhiệ nhiệt nhiệt độ thấ thấp. Vì vậ vậy, sự sự truyề truyền nhiệ nhiệt chỉ chỉ xảy ra khi có sự sự chênh độ cao sang vùng có nhiệ lệch về về nhiệ nhiệt độ trong hệ hệ hay nói cách khác là hệ h ệ tồn tạ tại mộ m ột gradient nhiệ nhiệt độ N ăng độ.. Nă lượ ng ng đượ c truyề truyền đi dướ i dạng dòng nhiệ nhiệt nên không thể thể đo trự trực tiế tiếp giá trị trị nhiệ nhiệt định thông qua đại đại lượ độ.. lượ ng ng mà xác định lượ ng ng vậ vật lý có thể thể đo đượ c là nhiệ nhiệt độ Sự phân bố bố nhiệ nhiệt độ và giá trị trị của dòng nhiệ nhiệt(lượ t(lượ ng ng nhiệ nhiệt truyề truyền qua mộ một đơ n vị vị diệ diện tích bề bề mặt trong mộ một đơ n vị vị thờ thờ i gian) là nhữ những vấ vấn đề quan tâm hàng đầu đầu trong nghiên cứ cứu và thiế thiết kế các thiế thiết bị trao đổ nhiệt. Các phân tích về v ề quá trình truyề truyền đổii nhiệ định kích thướ đưaa ra nhữ nhiệ nhiệt là điều cố c ốt lõi quyế quyết định thướ c và kế kết cấ c ấu củ c ủa thiế thiết bị b ị từ đó đư những giả giải pháp kỹ kỹ thuậ thuật và kinh tế tế cho mộ một thiế thiết bị bị trao đổ nhiệt. đổii nhiệ Ngườ Ng biệt quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt ổn định truyền nhiệ nhiệt ườ i ta phân biệ định và quá trình truyề không ổn định, truyền nhiệ nhiệt ổn định, nhiệt độ có thể thể thay đổ định, trong quá trình truyề định, nhiệ đổii theo đổii theo thờ không gian như nhưng không thay đổ thờ i gian, còn quá trình truyề truy ền nhệ nh ệt không ổn định định thì nhiệ đổii theo cả nhiệt độ thay đổ cả không gian và thờ thờ i gian. Quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt ổn chỉ xảy ra trong các thiế thi ết bị làm việ việc liên tụ tục, quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt không ổn định định chỉ xảy ra trong các thiế thi ết bị bị làm việ việc gián đoạn hoặ hoặc trong giai đoạn đầu cuối củ của định định xả đầu và cuố quá trình liên tụ tục. Nhiệ Nhiệt đượ c truyề truyền từ từ vật này sang vậ vật khác theo các phươ ph ươ ng ng thứ thức sau đây: − Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệ nhiệt là quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt từ phân tử tử này đến tử đến phân tử khác trong hệ hệ khi chúng tiế tiếp xúc trự trực tiế tiếp vớ i nhau và có nhiệ nhiệt độ khác nhau. Quá trình này thườ thườ ng ng xả xảy ra trong các vậ vật thể thể rắn. Các phân tử t ử có nhiệ nhiệt độ cao hơ hơ n thì dao ng mạ mạnh, va chạ chạm vớ vớ i các phân tử tử lân cậ cận và truyề truyền độ ng nă năng cho chúng. Cứ Cứ nh nhưư động độ động vậy , nhiệ nhiệt nă năng đượ c truyề truyền theo mọ mọi hướ hướ ng ng củ của vậ vật thể thể. Dẫ Dẫn nhiệ nhiệt cũ cũng xả xảy ra trong ở trạạng thái đứ đứng động môi trườ trườ ng ng khí và lỏ lỏng nếu chấ ch ất khí và lỏ lỏng ở tr ng yên hay chuyể chuyển độ ng dòng. Đối lưu nhiệ − Đối lư u nhiệt: Đối nhiệt là hiệ hiện tượ ng ng truyề truyền nhiệ nhiệt do các phân tử tử khí đổii chổ đổii chổ hoặặc lỏ ho lỏng đổ chổ cho nhau. Sự Sự đổ chổ là do có sự sự chênh lệ lệch về về kh khốối lượ lượ ng ng riêng do sự khác nhau về về nhiệ nhiệt độ giữ giữa các phân tử tử ho hoặặc do các tác độ ng cơ học nh nhưư bơ m, m, động quạạt, khuấ qu khuấy... − Bứ c xạ nhiệt: Bứ B ức xạ x ạ nhiệ nhiệt là quá trình truyề truyền nh nhệệt bằ b ằng sóng điện tử t ử, ngh ĩ ngh ĩ a là nhiệ nhiệt nă năng biế biến thành các tia bứ b ức xạ xạ rồi truyề truyền đi trong môi trườ trườ ng, ng, khi gặ gặp vậ vật thể thể cản, mộ m ột phầ ph ần nă n ăng lượ l ượ ng ng từ t ừ các tia bứ bức xai đó đượ c vậ v ật hấp th t hụ chuyể chuyển thành nhiệ nhiệt năng, mộ một phầ phần bị bị ph phảản xạ xạ trở trở llại và mộ một phầ phần đi xuyên qua vậ vật thể thể. Trong thự thực tế, truyề truyền nhiệ nhiệt là nộ nột quá trình phứ phức tạp, không xả xảy ra vớ vớ i một phươ ph ng thứ thức duy nhấ nhất nào mà luôn xả xảy ra đồ ng thờ thờ i 2 hoặ hoặc 3 phươ phươ ng ng thứ thức trên. Khi ươ ng đồng xem xét, nghiên cứ cứu mộ m ột quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt, tuỳ tuỳ từng trườ trườ ng ng hợ h ợ p cụ c ụ thể thể, nế n ếu ảnh hưở ng ng củ c ủa mộ m ột ph p hươ ng ng thứ thức nào đó không đáng kể kể so vớ v ớ i toàn bộ bộ quá trình thì ta có thể thể bỏ qua.
2
.
THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT. 1. Giớ i thiệu chung: Truyề Truyền nhiệ nhiệt là quá trình vậ v ận chuyể chuyển nhiệ nhiệt từ từ một lư lưu thể thể này sang lư lưu thể thể khác. Quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt là quá trình mộ m ột chiề chiều, dòng nhiệ nhiệt chỉ chỉ truyề truyền từ t ừ vùng có nhiệ nhiệt nhiệt độ thấ thấp. Vì vậ vậy, sự sự truyề truyền nhiệ nhiệt chỉ chỉ xảy ra khi có sự sự chênh độ cao sang vùng có nhiệ lệch về về nhiệ nhiệt độ trong hệ hệ hay nói cách khác là hệ h ệ tồn tạ tại mộ m ột gradient nhiệ nhiệt độ N ăng độ.. Nă lượ ng ng đượ c truyề truyền đi dướ i dạng dòng nhiệ nhiệt nên không thể thể đo trự trực tiế tiếp giá trị trị nhiệ nhiệt định thông qua đại đại lượ độ.. lượ ng ng mà xác định lượ ng ng vậ vật lý có thể thể đo đượ c là nhiệ nhiệt độ Sự phân bố bố nhiệ nhiệt độ và giá trị trị của dòng nhiệ nhiệt(lượ t(lượ ng ng nhiệ nhiệt truyề truyền qua mộ một đơ n vị vị diệ diện tích bề bề mặt trong mộ một đơ n vị vị thờ thờ i gian) là nhữ những vấ vấn đề quan tâm hàng đầu đầu trong nghiên cứ cứu và thiế thiết kế các thiế thiết bị trao đổ nhiệt. Các phân tích về v ề quá trình truyề truyền đổii nhiệ định kích thướ đưaa ra nhữ nhiệ nhiệt là điều cố c ốt lõi quyế quyết định thướ c và kế kết cấ c ấu củ c ủa thiế thiết bị b ị từ đó đư những giả giải pháp kỹ kỹ thuậ thuật và kinh tế tế cho mộ một thiế thiết bị bị trao đổ nhiệt. đổii nhiệ Ngườ Ng biệt quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt ổn định truyền nhiệ nhiệt ườ i ta phân biệ định và quá trình truyề không ổn định, truyền nhiệ nhiệt ổn định, nhiệt độ có thể thể thay đổ định, trong quá trình truyề định, nhiệ đổii theo đổii theo thờ không gian như nhưng không thay đổ thờ i gian, còn quá trình truyề truy ền nhệ nh ệt không ổn định định thì nhiệ đổii theo cả nhiệt độ thay đổ cả không gian và thờ thờ i gian. Quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt ổn chỉ xảy ra trong các thiế thi ết bị làm việ việc liên tụ tục, quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt không ổn định định chỉ xảy ra trong các thiế thi ết bị bị làm việ việc gián đoạn hoặ hoặc trong giai đoạn đầu cuối củ của định định xả đầu và cuố quá trình liên tụ tục. Nhiệ Nhiệt đượ c truyề truyền từ từ vật này sang vậ vật khác theo các phươ ph ươ ng ng thứ thức sau đây: − Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệ nhiệt là quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt từ phân tử tử này đến tử đến phân tử khác trong hệ hệ khi chúng tiế tiếp xúc trự trực tiế tiếp vớ i nhau và có nhiệ nhiệt độ khác nhau. Quá trình này thườ thườ ng ng xả xảy ra trong các vậ vật thể thể rắn. Các phân tử t ử có nhiệ nhiệt độ cao hơ hơ n thì dao ng mạ mạnh, va chạ chạm vớ vớ i các phân tử tử lân cậ cận và truyề truyền độ ng nă năng cho chúng. Cứ Cứ nh nhưư động độ động vậy , nhiệ nhiệt nă năng đượ c truyề truyền theo mọ mọi hướ hướ ng ng củ của vậ vật thể thể. Dẫ Dẫn nhiệ nhiệt cũ cũng xả xảy ra trong ở trạạng thái đứ đứng động môi trườ trườ ng ng khí và lỏ lỏng nếu chấ ch ất khí và lỏ lỏng ở tr ng yên hay chuyể chuyển độ ng dòng. Đối lưu nhiệ − Đối lư u nhiệt: Đối nhiệt là hiệ hiện tượ ng ng truyề truyền nhiệ nhiệt do các phân tử tử khí đổii chổ đổii chổ hoặặc lỏ ho lỏng đổ chổ cho nhau. Sự Sự đổ chổ là do có sự sự chênh lệ lệch về về kh khốối lượ lượ ng ng riêng do sự khác nhau về về nhiệ nhiệt độ giữ giữa các phân tử tử ho hoặặc do các tác độ ng cơ học nh nhưư bơ m, m, động quạạt, khuấ qu khuấy... − Bứ c xạ nhiệt: Bứ B ức xạ x ạ nhiệ nhiệt là quá trình truyề truyền nh nhệệt bằ b ằng sóng điện tử t ử, ngh ĩ ngh ĩ a là nhiệ nhiệt nă năng biế biến thành các tia bứ b ức xạ xạ rồi truyề truyền đi trong môi trườ trườ ng, ng, khi gặ gặp vậ vật thể thể cản, mộ m ột phầ ph ần nă n ăng lượ l ượ ng ng từ t ừ các tia bứ bức xai đó đượ c vậ v ật hấp th t hụ chuyể chuyển thành nhiệ nhiệt năng, mộ một phầ phần bị bị ph phảản xạ xạ trở trở llại và mộ một phầ phần đi xuyên qua vậ vật thể thể. Trong thự thực tế, truyề truyền nhiệ nhiệt là nộ nột quá trình phứ phức tạp, không xả xảy ra vớ vớ i một phươ ph ng thứ thức duy nhấ nhất nào mà luôn xả xảy ra đồ ng thờ thờ i 2 hoặ hoặc 3 phươ phươ ng ng thứ thức trên. Khi ươ ng đồng xem xét, nghiên cứ cứu mộ m ột quá trình truyề truyền nhiệ nhiệt, tuỳ tuỳ từng trườ trườ ng ng hợ h ợ p cụ c ụ thể thể, nế n ếu ảnh hưở ng ng củ c ủa mộ m ột ph p hươ ng ng thứ thức nào đó không đáng kể kể so vớ v ớ i toàn bộ bộ quá trình thì ta có thể thể bỏ qua.
2
. 2. Các định luật về truyền nhiệt. 2.1 Truyền nhiệt theo phươ ng ng thứ c dẫn nhiệt qua bề mặt vách : 2.1.1 Định luật Fourier về dẫn nhiệt : Quá trình dẫ dẫn nhiệ nhiệt tuân theo định luật Fourier: Mộ Một nguyên tố tố nhiệ nhiệt lượ ng ng dQ định luậ truyề truyền qua mộ một nguyên tố tố bề mặt dA, trong khoả khoảng thờ thờ i gian dτ tỷ lệ vớ i gradient độ,, vớ đại lượ nhiệ nhiệt độ vớ i đại lượ ng ng bề bề mặt và thờ thờ i gian, ngh ĩ ngh ĩ a là: dQ = −λ .
dt dn
.dA.d τ . [J].
Vớ i λ: độ dẫn nhiệ nhiệt (W/m.0K). đổii (J). Q: lượ lượ ng ng nhiệ nhiệt trao đổ A: diệ diện tích bề bề mặt vuông góc vớ vớ i dòng nhiệ nhiệt truyề truyền (m2). n: khoả khoảng cách (m). Dấu (−) ở v phảải của ph phươ ng trình chứ chứng tỏ là dòng nhiệ nhiệt biế biến đổ chiều ở vế ph ươ ng đổii theo chiề độ.. giả giảm nhiệ nhiệt độ Giả Giả sử lượ ng ng nhiệ nhiệt truyề truyền không phụ phụ thuộ thuộc vào thờ thờ i gian ta có: − Lượ ng ng nhiệ nhiệt truyề truyền đi: dQ = −λ .
∂θ .dA . ∂n
− Dòng nhiệ nhiệt truyề truyền qua mộ một đơ n vị vị diệ diện tích bề bề mặt : Φ=
dQ dA
= −λ .
∂θ . ∂n
2.1.2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng: ∗ Dẫn nhiệ nhiệt qua vách phẳ phẳng mộ một lớ lớ p: p: Xét quá trình dẫ dẫn nhiệ nhiệt qua vách phẳ phẳng, đồ ng nhấ nhất. Theo định luật Fourier ta có: đồng định luậ − Lưu lượ lượ ng ng nhiệ nhiệt truyề truyền qua vách : ∆Q = λ .∆ A.
θ 1 − θ 2 e
nhiệt truyề truyền qua mộ một đơ n vị vị diệ diện tích bề bề mặt : − Dòng nhiệ Φ=
dQ dA
=
∆θ e
.
Vớ i R = e/ λm.
λ m
Vớ i e: chiề chiều dày củ của vách (m). R: nhiệ nhiệt trở trở ccủa vách (m2.0K/W).
3
.
l θ1
l
θ2
θ1
θ3 θn
θ2
θn+1
λ
λ1
λ2
λn
e
e1
e2
en
∗ Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớ p: R =
ei
∑ λ i
Vớ i eí ,λí : bề dày và độ dẫn nhiệt vách thứ i. Như vậy: Lưu lượ ng nhiệt trao đổi càng lớ n nếu đạt đượ c một hoặc tất cả các yếu tố sau đây: - Bề mặt truyền nhiệt lớ n. - Chênh lệch nhiệt độ giữu các lưu thể lớ n. - Trở nhiệt nhỏ. 2.1.3 Dẫn nhiệt qua vách ống:
de
di
θi
θe ∆l
Xét quá trình dẫn nhiệt qua một ống kim loại có đườ ng kính ngoài de, đườ ng kính trong dí , độ dẫn nhiệt λ. − Vớ i một nguyên tố chiều dài Ôl của ống, lưu lượ ng nhiệt trao đổi đượ c tính như sau : 2.π .λ (θ i − θ e ) ∆Q = . d Ln
e
d i
− Dòng nhiệt truyền qua một đơ n vị diện tích bề mặt :
Φ=
θ i − θ e ∆Q = d e d π .d e .∆l . Ln e 2.λ d i
4
. − Nhiệt trở : d e
R =
2.λ
. Ln
d e d i
Trườ ng hợ p nhiều vách trụ kép : 1
R = d e .
2.λ
. Ln
d m d i
+
d 1 . Ln e . d m 2.λ e
2.2 Truyền nhiệt theo phươ ng thứ c đối lư u nhiệt : Các định luật về truyền nhiệt đối lưu rất phức tạp do chúng liên quan đến chế độ chuyển động của dòng chảy. Chế độ thuỷ động đóng vai trò chủ đạo trong động lực của quá trình trao đổi nhiệt, hơ n nữa còn liên quan đến các định luật về dẫn nhiệt. Về thực chất quá trình trao đổi nhiệt đối lưu đơ n thuần không tồn tại mà luôn đi kèm vớ i quá trình dẫn nhiệt, quá trình này còn đượ c gọi là toả nhiệt đối lưu. Toả nhiệt đối lưu xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn vớ i chất lỏng chuyển động, quá trình này rất phổ biến trong truyền nhiệt. Trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như : nguyên nhân gây ra chuyển động của các lưu thể, sự thay đổi trạng thái của lưu thể trong quá trình truyền nhiệt(truyền nhiệt có chuyển pha hay không chuyển pha) chế độ chuyển động, tính chất vật lý của các lưu thể và hình dáng, kích thướ c của bề mặt trao đổi nhiệt. Một cách tổng quát, dòng nhiệt trong trườ ng hợ p trao đổi nhiệt đối lưu đượ c viết như sau: Φ=
∆θ R
= h.∆θ .
1
h= : hệ số cấp nhiệt hay hệ số màng. R
2.2.1 Hệ số cấp nhiệt trong trườ ng hợ p trao đổi nhiệt không có sự thay đổi pha: Hệ số cấp nhiệt là đặc trưng của quá trình trao đổi nhiệt đối lưu nên cũng phụ thuộc vào các yếu tố liên quan đến quá trình: thông số hình học của thiết bị, điều kiện làm việc và tính chất dòng chảy. Do sự phụ thuộc phức tạp đó, không thể thiết lập đượ c một công thức tổng quát để xác định hệ số cấp nhiệt h mà tùy từng trườ ng hợ p cụ thể ngườ i ta đưa ra những công thức thực nghiệm để tính. Các công thức này đượ c xây dựng trên cơ sở các chuẩn số sau: Trườ ng hợ p đối lưu cưỡ ng bức, hệ số cấp nhiệt h đượ c suy ra từ công thức sau: Nu = a.Ren.Prm. Hoặc: St = a.Ren−1.Prm−1. Các hệ số: a, n, m đượ c xác định theo từng trườ ng hợ p cụ thể. Các chuẩn số: Nu, Re, St đượ c thiết lập từ đồng dạng nhiệt. h.l Nu . = Chuẩn số Nusselt: λ
h: Hệ số cấp nhiệt. l: Kích thướ c hình học đặc trưng của thiết bị(m). 5
.
λ: hệ số dẫn nhiệt(W/m2.K),
Chuẩn số Reynolds:
Re =
. ρ .l µ
.
l: chiều dài hình học đặc trưng của thiết bị. : vận tốc trung bình của dòng chảy. ρ: khối lượ ng riêng của lưu thể. µ: độ nhớ t động lực. Chuẩn số Re đặc trưng cho chế độ chuyển động của dòng chảy. Re<2100: Chất lỏng chảy dòng. 210010000: Chất lỏng chảy xoáy.
Chuẩn số Prandtl: Pr=
C . µ
λ
C: nhiệt dung riêng của lưu chất. Chuẩn số Pr là một hàm của các thông số vật lý, biểu thị ảnh hưở ng của các thông số vật lý lên quá trình trao đổi nhiệt.
Chuẩn số Stauton: St=
h C . ρ .ω
Như vậy khi biết điều kiện làm việc của quá trình, các thông số đặc trưng của chất lỏng ở điều kiện đó, kích thướ c của thiết bị thì các chuẩn số trên đượ c xác định và ta tìm đượ c hệ số cấp nhiệt h. 2.2.2 Hệ số cấp nhiệt trong trườ ng hợ p trao đổi nhiệt không có sự thay đổi pha: Sự chuyển pha trong quá trình trao đổi nhiệt có thể xảy ra trong các trườ ng hợ p ngưng tụ hoặc bốc hơ i. Xét quá trình ngưng tụ: Khi sử dung một lưu thể có nhiệt độ thấp để ngưng tụ một hỗn hợ p hơ i thì trong quá trình cấp nhiệt, hơ i sẽ ngưng tụ trên bề mặt truyền nhiệt thành các giọt lỏng hoặc một màng lỏng ngưng tụ. Hệ số cấp nhiệt trong trườ ng hợ p này bao gồm hệ số cấp nhiệt của phần hơ i chưa ngưng tụ và phần lỏng đã ngưng tụ đượ c. Như vậy, lượ ng lỏng ngưng tụ đượ c ảnh hưở ng lớ n sự cấp nhiệt vì nó liên quan đến chế độ chảy của phần chất lỏng trong thiết bị. Mặc khác, sự cấp nhiệt do hơ i ngưng tụ còn phụ thuộc vào vận tốc và chiều chuyển động của hơ i, vào trạng thái bề mặt ngưng tụ, thành phần của hơ i. Khi vận tốc của pha hơ i bé, chế độ chuyển động chỉ đượ c khống chế bở i trọng lực, hệ số cấp nhiệt bé. Khi vận tốc pha hơ i tăng lên, sự chuyển động của dòng hơ i gây nên ma sát trên bề mặt phân chia pha làm tăng tốc độ của màng nướ c ngưng, hệ số cấp nhiệt. Bề mặt ngưng tụ càng nhám thì càng làm tăng trở lực chuyển động của màng ngưng tụ, làm giảm tốc độ chảy và giảm hệ số cấp nhiệt. Lượ ng khí không ngưng tụ trong hơ i cũng ảnh hưở ng lớ n đến quá trình cấp nhiệt. Các khí này tích tụ lại trên bề mặt ngoài của màng ngưng tụ và tạo thành một 6
. lớ p đệm làm tăng nhiệt trở cấp nhiệt đồng thờ i ngăn cản hơ i tiến đến bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơ i. Hệ số cấp nhiệt khi quá trình ngưng tụ chỉ bị khống chế bở i trọng lực: Nu=1.51Re-1/3 Hệ số cấp nhiệt khi quá trình ngưng tụ bị khống chế bở i ma sát giữa 2 pha lỏnghơ i: Nu=0.22Re0.6Pr0.4 Đối vớ i quá trình ngưng tụ hoàn toàn: =0.5(1+
ρ L ρ V
)
ρv, l: Khối lượ ng riêng của hơ i và lỏng ngưng tụ.
Hệ số cấp nhiệt của hơ i: Nu=0.22Re0.6Pr1/3 2.3 Truyền nhiệt theo phươ ng thứ c bứ c xạ nhiệt: Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơ n 0K đều có thể phát ra những tia năng lượ ng dướ i dạng tia bức xạ và lan truyền trong không gian xung quanh vật thể. Nói chung tia bức xạ là do kết quả của sự biến đổi các dạng năng lượ ng khác mà thành, trong đó chủ yếu là do sự biến đổi năng lượ ng. Mức độ biến đổi này đượ c xác định bằng trạng thái nhiệt của vật thể, thể hiện bằng nhiệt độ của nó. Ngườ i ta chia ra bốn loại vật thể sau: Vật đen tuyệt đối: Tất cả các tia bức xạ đều đượ c vật thể hấp thụ hoàn toàn. Vật trắng tuyệt đối: Tất cả các tia bức xạ đều đượ c phản xạ hoàn toàn. Vật trong suốt: Tất cả các tia bức xạ đều xuyên qua vật. Vật thể xám: Vật thể chỉ hấp thụ một phần tia bức xạ vớ i mọi bướ c sóng. Trong thực tế chỉ có một vật thể duy nhất là vật xám, 3 vật thể còn lại không tồn tại. Các định luật cơ bản của bứ c xạ: a. Định luật Stêphan-Bônz ơ man. E0=C0(
T 4
100
)
Trong đó: E0: khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối(W/m2). C0: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, giá trị của nó là 5.7W/m2(0K)4 Nói một cách chặt chẽ thì định luật Stêphan-Bônzơ man chỉ đúng đối vớ i vật đen tuyệt đối. Tuy nhiên, bằng thực nghiệm, Stêphan và các nhà nghiên cứu khác đã đi đến kết luận là có thể ứng dung định luật đó cho vật xám và phươ ng trình có dạng: E=C(
T 4
100
)
Hệ số bức xạ C phụ thuộc vào loại vật thể, trạng thái bề mặt và nhiệt độ của vật thể. Giá trị của nó đượ c xác định bằng thực nghiệm. b. Định luật Kiếchốp: Định luật kiếchốp thiết lập quan hệ giữa khả năng bức xạ và hằng số bức xạ của vật thể.
E A
=E0 7
. Vớ i A: Khả năng hấp thụ của vật thể. Nội dung định luật: Tỷ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ của mỗi vật thể là giống nhau và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cuing nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. 2.4 Hệ số truyền nhiệt chung : 2.4.1 Trườ ng hợ p truyền nhiệt qua vách ph ẳng: Xét quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng(lưu thể 1) có nhiệt độ cao, sang lưu thể lạnh (lưu thể 2) có nhiệt độ thấp.
1/h1 λP θ1
Lưu thể 2 θP2
θP1
θ2
Lưu thể 1
eP
1/h2
Dòng nhiệt: Φ=
θ 1 − θ 2
1 h1
+
eP
λ P
+
1
=
∆θ R
= U P .∆θ .
h2
Vớ i R là tổng nhiệt trở . - R1: Nhiệt trở của quá trình cấp nhiệt từ lưu thể 1 đến tườ ng. - Rp: Nhiệt trở của tườ ng. - R2: Nhiệt trở của quá trình cấp nhiệt từ tườ ng đến lưu thể 2. - Up: Là hệ số truyền nhiệt chung. 1 1 e 1 = + P + Ta có: R = .=R1+Rp+R2 U P
h1
λ P
h2
Trong quá trình truyền nhiệt, các cặn bẩn bám trên bề của hai mặt vách gây ra một nhiệt trở RS. RS = RS1 + RS2. Khi đó hệ số truyền nhiệt trong trườ ng hợ p vách có bám cặn đượ c tính như sau: 1 1 = + RS =R1+Rp+R2+Rs U S
U P
8
. 2.4.2 Trườ ng hợ p truyền nhiệt qua tườ ng ống: de
θi
θPi
di
θPe ∆l
θe
Dòng nhiệt qua thành ống, có đườ ng kính ngoài de, đườ ng kính trong dí . Φ=
θ − θ Pi θ − θ Pe θ − θ e θ i − θ e ∆Q = i = Pi = Pe = = U P .(θ i − θ e ) . 1 d d 1 R π .d e .∆l e e Ln . d i he 2.λ P d i hi .
d e
Vớ i he : hệ số màng ngoài ống. hi : hệ số màng trong ống. Hệ số truyền nhiệt chung đượ c tính như sau : d d e 1 1 1 = + e Ln + . . U P hie 2.λ P d i he Nhiệt trở của lớ p cặn RS: RS = R Si .
d e d i
+ RSe .
RSi, RSe : nhiệt trở do lớ p cặn đóng bên trong và ngoài ống. Hệ số truyền nhiệt khi kể đến trườ ng hợ p bám cặn US: 1 1 = + RS . . U S
U P
2.5 Các phươ ng trình cơ bản tính toán lượ ng nhiệt trao đổi gi ữ a hai lư u th ể qua thiết bị trao đổi nhiệt: ∗ Phươ ng trình cân b ằng nhiệt: lượ ng nhiệt của lưu thể nóng truyền đi bằng lượ ng nhiệt của lưu thể lạnh nhận đượ c (bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trườ ng). Q = M.CP.(T1− T2) = m.cP.(t2 − t1). Vớ i M, m: lưu lượ ng khối lượ ng của lưu thể nóng và lạnh. CP,cP : nhiệt dung riêng đẳng áp của lưu thể nóng và lạnh. T1,T2: nhiệt độ vào và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt của lưu thể nóng. t1,t2: nhiệt độ vào và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt của lưu thể lạnh. Hoặc: 9
. C 1
=
C 2
(t 2 − t 1 ) ∆t = . (T 1 − T 2 ) ∆T
Vớ i: C = M.CP gọi là nhiệt dung lưu lượ ng khối lượ ng. ∗ Phươ ng trình truy ền nhiệt: nhiệt lượ ng trao đổi giữa hai lưu thể thông qua một nguyên tố bề mặt dA đượ c tính như sau: dQ = U.(t1 − t2).dA. Vớ i U: hệ số truyền nhiệt (W/m2.0K). (t1− t2) = ∆t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu thể trên bề mặt nguyên tố dA. Lấy tích phân theo diện tích bề mặt A phươ ng trình trên. Ta đượ c:
∫
Q = U .∆t .dA . A
Sự biến thiên của U theo nhiệt độ là không đáng kể (xem U = Const). Khi đó: Q = U .∆t . A .
gọi là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể (LMTD). Giá trị ∆t xác định tuỳ thuộc vào chiều chuyển động các lưu thể và nhiệt dung lưu lượ ng khối lượ ng của chất lỏng. − Trườ ng hợ p hai lưu thể chuyển động cùng chiều: ∆t :
∆t cc =
T1
(T 1 − t 1 ) − (T 2 − t 2 ) (T − t ) Ln 1 1 (T 2 − t 2 ) T1
MC > mc
MC < mc
T2 t2 t1
T2 t2
A
t1
A
− Trườ ng hợ p hai lưu thể chuyển động ngượ c chiều:
T1 t2
C>c
T1
C
T2 t2 t1 A 10
T2 t1 A
. (T 1 − t 2 ) − (T 2 − t 1 ) (T 1 − t 2 ) . Ln (T 2 − t 1 ) * Xét quan hệ nhiệt độ ra của các lư u thể và bề mặt truyền nhiệt: ∆t nc =
Khảo sát phươ ng trình cân bằng nhiệt và phươ ng trình truyền nhiệt, ngườ i ta đã vẽ ra đườ ng đặc tính mối quan hệ giữa các nhiệt độ và bề mặt truyền nhiệt T-A như hình trên. Từ đồ thị trên ta thấy rằng, trong chuyển động xuôi chiều, nhiệt độ ra của lưu thể nguội luôn bị giớ i hạn và luôn nhỏ hơ n nhiệt độ đầu ra của lưu chất nóng, trong khi đối vớ i trườ ng hợ p chuyển động ngượ c chiều thì có thể lớ n hơ n. ∗ Mối quan hệ giữ a LMTDCC và LMTDNC: LMTDNC = F. LMTDCC. − Đối vớ i các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, giá trị F xác định bằng công thức (thiết bị 1 passe trong ống, 2 passe ngoài ống) hay đồ thị thực nghiệm phụ thuộc vào giá trị R và E như sau: R =
T 1 − T 2 t 2 − t 1
.
E =
t 2 − t 1 T 1 − t 1
.
Cùng vớ i một thiết bị và các dòng lưu thể như nhau, nếu các lưu thể chuyển động ngượ c chiều có giá trị DTLM lớ n hơ n chuyển động cùng chiều. F =
LMTDCC LMTD NC
< 1.
Vì vậy, trong thực tế ngườ i ta thườ ng sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt loại ngượ c chiều.
II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞ NG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT. Hiệu suất của một thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hệ số truyền nhiệt đạt đượ c trong thiết bị và chịu ảnh hưở ng đáng kể của phươ ng thức chuyển động của các dòng trong thiết bị. Kích thướ c của thiết bị trao đổi nhiệt có ảnh hưở ng lớ n đến quá trình cấp nhiệt vì những thay đổi về hình dạng và kích thướ c của thiết bị sẽ dẫn đến những thay đổi về đặc tính chuyển động của dòng. Khi thiết kế, ngườ i ta lựa chọn các thông số hình học sao cho lưu thể có thể đạt đượ c chế độ chảy rối mà vẫn đạt đượ c những ràng buộc về tổn thất áp suất cho phép khi qua thiết bị. Việc thay đổi kích thướ c ống truyền nhiệt đôi khi vẫn không mang lại hệ số truyền nhiệt mong muốn. Để tăng chế độ chảy rối của lưu thể trong ống, ngườ i ta thườ ng bố trí các tấm chắn dòng( tại đầu phân phối) tức là tăng số pass của dòng đi trong ống. Nhờ các tấm chắn dòng này, chùm ống đượ c chia thành các phần riêng biệt. Lưu thể đầu tiên đượ c phân phối vào một phần chùm ống truyền nhiệt, sau đó theo sự định hướ ng của các tấm chắn này tiếp tục lưu động qua các phần còn lại của thiết bị để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Vớ i cùng một thiết bị, nếu lưu thể trong ống chảy rối, việc tăng số ngoặc của lưu thể từ 1 lên 2 pass kéo theo: - Vận tốc tăng gấp đôi. 11
. - Hệ số cấp nhiệt tăng 1.74 lần. - Tổn thất áp suất tăng lên 8 lần. Như vậy, việc thay đổi số passe trong ống cho phép điều chỉnh hệ số cấp nhiệt trong ống, tuy nhiên vẫn còn hạn chế khi tổn thất áp suất của lưu thể trong ống khó khống chế. Tươ ng tự, hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống đượ c điều chỉnh bằng cách thay đổi tiết diện dòng chảy của lưu thể đi trong vỏ bọc(shell side) khi thay đổi đườ ng kính vỏ bọc, bướ c ống và lắp đặt các tấm chắn dọc theo chùm ống. Lưu thể đi ngoài ống khi thì chuyển động song song vớ i các tấm chắn, khi thì chuyển động dọc theo chùm ống qua khoảng trống giữa tấm chắn và than thiết bị. Việc thay đổi liên tục hướ ng của dòng chảy như vậy cho phép tăng cườ ng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt vì tiết diện của dòng chảy thay đổi, vận tốc lưu thể tăng lên, chế độ chảy rối dễ đạt đượ c. Tổn thất áp suất tăng khi tăng số tấm chắn trong thiết bị càng lớ n và khoảng trống giữa thân thiết bị và tấm chắn càng nhỏ. Vận tốc các lưu thể trong thiết bị cũng bị khống chế do các qui tắc về an toàn cho thiết bị như xói mòn cơ học và các chấn động trong thiết bị. Lưu lượ ng có khối lượ ng riêng càng nhỏ, vận tốc cho phép đi trong thiết bị trao đổi nhiệt càng lớ n - Chất lỏng: Đi trong ống: 1-2.5m/s Đi ngoài ống: 0.3-1m/s - Chất khí: Ở áp suất chân không: 45-80m/s Ở áp suất khí quyển 12-30m/s. Ở áp suất cao 6-12m/s. Khi các thông số hình học của thiết bị đã đượ c cố định, hệ số cấp nhiệt còn phụ thuộc vào lưu lượ ng của dòng. Khi lưu thể đang chảy rối, nếu tăng lưu lượ ng lên 10%, hệ số cấp nhiệt trong ống tăng khoảng 8%, trong khi tổn thất áp suất tăng khoảng 20%. Nếu giảm đáng kể lưu lượ ng có thể kéo theo sự thay đổi chế độ chuyển động của dòng chảy và giảm mạnh hệ số cấp nhiệt. Một yếu tố nữa cũng ảnh hưở ng lớ n đến hệ số cấp nhiệt là tính chất vật lý của lưu thể: độ nhớ t, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng. Trong đó, độ nhớ t có tầm quan trọng lớ n nhất trong bài toán trao đổi nhiệt đối lưu. Đối vớ i những chất lỏng có độ nhớ t lớ n, chế độ chảy rối khó đạt đượ c và vì vậy hệ số cấp nhiệt trong trườ ng hợ p này thườ ng thấp. Ngượ c lại, hệ số cấp nhiệt tỉ lệ thuận vớ i độ dẫn nhiệt của chất lỏng. Khả năng đóng cặn của lưu thể cũng là một nhân tố làm giảm hệ số cấp nhiệt. Tuỳ thuộc vào từng lưu thể và điều kiện làm việc( thờ i gian, vận tốc chuyển động, nhiệt độ...) mà lớ p cặn bám lên bề mặt truyền nhiệt nhiều hay ít. Lớ p cặn này đồng thờ i làm tăng tổn thất áp suất khi các lưu thể chuyển động trong thiết bị. Quá trình tạo cặn không khống chế đượ c, vì vậy khi thiết kế luôn phải tính sao cho hệ số truyền nhiệt cao hơ n so vớ i yêu cầu để bù vào phần nhiệt trở gây ra cho các lớ p cặn này. Ngoài ra, khi lựa chọn công nghệ cũng cần phải tính đến khả năng đóng cặn của các lưu thể để đảm bảo khả năng tháo dỡ , làm sạch. Cũng như phân tích ở phần trướ c, chiều chuyển động của lưu thể cũng ảnh hưở ng rất lớ n đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Vớ i cùng hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ của 12
. các lưu thể đã đượ c xác định, nếu các lưu thể chuyển động ngượ c chiều thì giá trị LMTD(Log mean temperature difference) tính đượ c lớ n hơ n, vì vậy bề mặt truyền nhiệt nhỏ hơ n
LMTDnc LMTDcc
=
UAcc UAnc
=
Acc Anc
>1. Do vậy cách bố trí lưu thể chuyển động
ngượ c chiều có lợ i hơ n.
III. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT. 1 Yêu cầu đối vớ i một thiết bị trao đổi nhiệt: Một thiết bị trao đổi nhiệt tốt về mặt thiết kế cũng như vận hành phải cần đáp ứng những nhu cầu sau: − Hệ số trao đổi nhiệt càng lớ n càng tốt. Cùng một lượ ng nhiệt cần trao đổi, nếu hệ số truyền nhiệt càng lớ n thì thiết bị sẽ giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. − Tổn thất áp suất đối vớ i các dòng lưu chất càng nhỏ càng tốt. Khi đó sẽ giảm công suất của bơ m và quạt... − Bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị phải thiết kế sao cho ít bị bám cặn bẩn, dễ làm sạch và sửa chữa. − Bề mặt ngăn cách giữa các lưu chất nóng và lạnh phải tốt, tránh hiện tượ ng hai lưu thể hòa trộn vào nhau. − Thiết bị phải bảo đảm an toàn khi vận hành, tuổi thọ cao, kết cấu đơ n giản dễ lắp ráp, giá thành thấp. 2 .Phân loại và cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt: A. Cấu tạo: Một thiết bị trao đổi nhiệt ( heat exchanger) gồm có các bộ phận chính sau: - Vỏ bọc (shell). - Đầu chụp vỏ bọc ( shell cover). - Các ống (tubes). - Bộ phân phân phối dòng chảy ( channel, channel cover, channel nozzle, channel passrib, channel tubesheet). - Chùm ống (tube sheet). - Các vách ngăn ( baffles). - Các họng vào và ra ( nozzles). Một thiết bị trao đổi nhiệt ( heat exchanger) đượ c chia làm 3 phần chính sau: Phần đầu, phần thân và phần đuôi. Hình vẽ dướ i đây sẽ chỉ cho ta, hình dáng và cấu tạo của 3 vùng chính của 1 heat exchanger.
13
.
B. Phân Loại: a. Phân loại theo nguyên lý làm vi ệc: - Trao đổi nhiệt trực tiếp: Hai lưu thể tiếp xúc trực tiếp nhau hoặc trộn lẫn vào nhau. - Trao đổi nhiệt gián tiếp: Truyền nhiệt giưũa 2 lưu thể qua một bề mặt phân cách. - Trao đổi nhiệt trên cùng một bề mặt rắn: Đun nóng bề mặt rắn bằng một dòng tải nhiệt, sau đó cho dòng nguội đi qua bề mặt vật rắn đó để lấy nhiệt. Loại trao đổi nhiệt này rất ít dùng trong công nghiệp. 14
. b. Phân loại theo chiều chuyển động của lư u thể: ∗ Chuyển động cùng chiều: các lưu chất đi vào và đi ra khỏi thiết bị ở cùng một phía, trong thiết bị các lưu chất chuyển động cùng chiều. ∗ Chuyển động ngượ c chiều: các lưu chất đi vào và ra khỏi thiết bị ở khác phía, trong thiết bị các lưu chất chuyển động ngượ c chiều. ∗ Chuyển động chéo dòng: các lưu chất chuyển động cắt ngang nhau gián tiếp qua vách ngăn. ∗ Chuyển động hỗn hợ p: các dòng lưu thể chuyển động hỗn hợ p của hai hay ba kiểu chuyển động trên. c. Phân loại theo chứ c năng làm việc của thiết bị: Trong nhà máy lọc dầu, các thiết bị trao đổi nhiệt vớ i các chức năng chủ yếu sau: ∗ Chức năng làm lạnh: Gồm các thiết bị sau: + Thiết bị làm lạnh: Làm lạnh bằng một dòng khí hoặc lỏng bằng một dòng phụ trợ ( các dòng nguyên liệu hoặc sản phẩm trong quá trình) hoặc bằng nướ c. +Thiết bị làm nguội bằng không khí
Cooler – Finned fan Cooler – Finned
. + Thiết bị Trim cooler. Làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ yêu cầu sau khi đã làm nguội sơ bộ bằng các dòng khác để đảm bảo nhiệt độ lưu trữ sản phẩm. + Thiết bị chiller: Làm lạnh lưu thể bằng cách bốc hơ i một tác nhân lạnh. ∗ Chức năng ngưng tụ: Dùng để ngưng tụ một phần hoặc toàn bộ lượ ng hơ i bằng cách sử dung nướ c hoặc một dòng có nhiệt độ thấp, không khí... ∗ Thiết bị bốc hơ i và đun sôi lại: đảm bảo bốc hơ i một phần hay toàn bộ chất lỏng, quá trình này đượ c thực hiện bằng hơ i nướ c quá nhiệt hay một dòng mang nhiệt khác.
15
. Kettle reboiler:
16
.
Ư u điểm: +: Thích hợ p vớ i dòng công nghệ có phạm vi thay đổi rộng. +: Bề mặt trao đổi nhiệt lớ n. +: Không gian bay hơ i lớ n. 17
. +: Lỏng ấy ra ổn định nhờ có vách chảy tràn. Nhượ c điểm: Giá thành cao.
Thermosyphon reboiler:
Thườ ng dượ c áp dụng khi lưu lượ ng vận hành gần vớ i lưu lượ ng thiết kế. Vớ i loại này thì giá thành thấp nhất trong các loại reboiler, khả năng tạo cặn thấp. Forced circulation reboilers :
Fired heater reboiler:
18
.
* Chức năng đun nóng: Đun nóng một lưu thể bằng hơ i nướ c hoặc bằng một dòng nhiệt khác tận dung đượ c từ quá trình, gia nhiệt trướ c nguyên liệu của quá trình bằng các dòng nhiệt do các sản phẩm sinh ra. d. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo cấu tạo: Tuỳ thuộc vào dạng trao đổi nhiệt trực tiếp hay gián tiếp, có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau. Sau đây, ta chỉ xét các kiểu thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. ∗ Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống trơ n: Loại thiết bị này có chùm ống đặt so le hoặc song song. Trong đó lưu chất cần đun nóng đi ngoài ống, lưu chất nóng đi ngoài ống. Loại này thườ ng đượ c sử dụng ở các thiết bị đun nóng nướ c, hơ i nướ c, không khí... hay gia nhiệt trong các thiết bị phản ứng ∗ Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống:
Ống ngoài có đườ ng kính D bao bọc ống bên trong có đườ ng kính d2 /d1. Bên trong có thể một hay nhiều ống, có cánh hoặc không có cánh. Các lưu chất chuyển động ngượ c chiều nhau. Loại thiết bị này có ưu điểm dễ làm vệ sinh và sửa chữa. Tuy nhiên nó có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ so vớ i các loại thiết bị khác ở cùng thể tích, các lưu chất dễ bị rò rỉ. 19
. Ứ ng dụng: làm ngưng tụ hơ i, làm lạnh lưu chất ở thể lỏng, đun nóng nướ c... ∗ Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm:
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG VÀ VỎ Parts Identification
20
. Loại thiết bị này đượ c sử dụng rất rộng rãi trong nhà máy lọc dầu do có nhiều ưu điểm như : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớ n, chắc chắn, gọn, hiệu suất và độ an toàn cao trong sử dụng. Thiết bị gồm vỏ bên ngoài bằng kim loại dày, bên trong chứa nhiều ống nhỏ. Các ống này là ống trơ n hoặc ống có cánh gắn theo chu vi bên ngoài ống, ống thẳng hoặc hình chữ U và đượ c gắn lên mặt sàng bằng phươ ng pháp hàn hay núc ống. Một lưu thể đi trong trong các ống nhỏ, lưu chất còn lại đi trong không gian giữa các ống. Dọc theo chùm ống, ngườ i ta bố trí các tấm ngăn nhằm tăng cườ ng quá trình trao đổi nhiệt và chống rung động cho các ống.
Dch
Dch
h
h B
Ở hai đầu thiết bị có gắn các bộ phận phân phối, các bộ phận phân phối có tác dụng định hướ ng các dòng chảy và phân phối một cách đồng đều lưu lượ ng chất lỏng đi trong ống. Còn đối vớ i lưu thể đi ngoài ống, cửa vào và ra đượ c gắn lên thân vỏ thiết bị. Gọi quảng đườ ng đi của lưu thể từ đầu này đến đầu kia của thiết bị là một Passe, thiết bị trao đổi nhiệt có một hay nhiều Passe đi trong và ngoài ống. Thườ ng thì môi chất đi ngoài ống là 1 pass, 2 passe trong ống, hoặc số passe 1−2, 1−4,1−6,1−8... Số passe tăng lên sẽ làm tăng tốc độ chảy của lưu thể trong khi lưu lượ ng không đổi, do đó sẽ làm tăng hệ số trao đổi nhiệt của thiết bị. Để chống giản nở do nhiệt ngườ i ta chế tạo các nếp bù vỏ thiết bị, hoặc sử dụng ống hình chữ U, hoặc dùng loại thiết bị có phần đuôi có thể di chuyển đượ c. Vị trí đặt thiết bị có thể nằm ngang hoặc thẳng đứng. Khi đặt nằm ngang thiết bị sẽ vững chắc hơ n nhưng chiếm nhiều diện tích, khi đó chất lỏng chảy trong ống sẽ chiếm đầy ống. Còn khi đặt thẳng đứng, thiết bị chiếm ít diện tích nhưng ít vững chắc, chất lỏng đi trong ống không chiếm đầy ống mà đượ c phân bố tạo ra lớ p màng mỏng xung quanh bề mặt trong của ống và chảy từ trên xuống. Có nhiều cách bố ống trên mặt sàng, thông thườ ng nhất là là bố trí theo hình vuông và tam giác đều. Ngoài ra, có thể đượ c phân bố theo theo hình tròn đồng tâm hay hình lục giác đều. 21
.
Khi bố trí ống theo hình tam giác, cho phép giảm đượ c đườ ng kính tươ ng đươ ng của lưu thể đi ngoài ống là 8,6% so vớ i cách bố trí ống theo hình vuông, giảm đượ c chi phí đầu tư. Tuy nhiên, vớ i cách bố trí ống theo tam giác không phù hợ p vớ i lưu thể đi ngoài ống có khuynh hướ ng tạo cặn cao.
Sự sắp xếp các tấm ngăn trong thiết bị trao đổi nhiệt theo các cách sau:
22
.
23
.
Lự a chọn lư u thể đi trong và ngoài ống : Việc lựa chọn lưu thể đi trong ống hay ngoài ống ảnh hưở ng đến hệ số màng, hệ số trao đổi nhiệt của thiết bị. Đồng thờ i, nó cũng thuận tiện trong việc bảo dưỡ ng, tu sửa thiết bị. Thông thườ ng, lưu thể đượ c chọn đi ngoài ống hay trong ống dựa vào các đặc điểm sau: − Tiết diện dòng chảy ngoài ống lớ n hơ n trong ống. Lưu thể có lưu lượ ng thể tích lớ n hơ n đượ c chọn đi ngoài ống. − Quá trình làm sạch cặn bẩn ở trong ống dễ dàng hơ n ngoài ống. Lưu thể có khả năng ăn mòn và bám cặn bề mặt trao đổi nhiệt cao đượ c chọn đi trong ống. − Lưu thể có áp suất lớ n đượ c chọn đi trong ống, để giảm bớ t chi phí đầu tư do tăng chiều dày vỏ thiết bị. 24
. − Lưu thể có nhiệt độ thấp đượ c chọn đi ngoài ống, nhằm giảm bớ t tổn thất nhiệt
ra môi trườ ng. ∗ Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm: Loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm đượ c sử dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp hóa chất, hóa dầu, thực phẩm...
Bề mặt trao đổi nhiệt là các tấm kim loại đượ c lắp ghép song song nhau. Trên tấm kim loại này đượ c tạo nhiều kênh dẫn cho cả hai lưu thể đi hai bên và xen kẽ nhau. Các kênh dẫn thườ ng là các khe hẹp song song hoặc đan lướ i, hình dáng các khe hẹp và mặt cắt ngang các tấm trao đổi nhiệt rất phức tạp. Các lưu thể nóng và lạnh đi trong kênh dẫn hẹp của các tấm xen kẽ liên tiếp nhau. Điều đó, sẽ làm cho thiết bị hết sức gọn, nhẹ mà tất cả các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác không có đượ c. Giữa các tấm trao đổi nhiệt có các đệm làm kín, tránh hiện tượ ng các lưu chất rò rỉ vào nhau. Một thiết bị đượ c lắp ghép nhiều tấm trao đổi nhiệt và cố định bằng các bulong. Việc tính toán hệ số truyền nhiệt và các thông số thủy động học của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm rất phức tạp, tùy thuộc vào kết cấu của từng loại tấm khác nhau sẽ tươ ng ứng vớ i mỗi phươ ng pháp tính cụ thể. Loại thiết bị trao đổi nhiệt này có rất nhiều ưu điểm như sau: − Đảm bảo đượ c hệ số truyền nhiệt cao vớ i tổn thất thủy lực bé. − Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp. − Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớ n so vớ i các loại thiết bị khác vớ i cùng một thể tích. - Sự rò rỉ do khuyết tật hoặc phá huỷ gasket là ở bên ngoài và dễ dàng phát hiện. - Độ bám cặn thấp do chể độ chảy rối cao tạo ra bở i các tấm chắn. − Quá trình làm việc đảm bảo an toàn, không bị rò rỉ trừ phi vật liệu bị hỏng. − Thiết bị dễ lắp đặt, vận hành, bảo dưỡ ng và sửa chữa. − Việc tiêu chuẩn hóa các chi tiết cho phép áp dụng rộng rãi loại thiết bị này làm việc ở điều kiện các nhiệt độ và áp suất khác nhau. Nhượ c điểm: 25
. - Ngườ i thực hiện công việc bảo dưỡ ng sửa chữa phải cẩn thận để tránh sự phá hủy gasket trong suốt quá trình tháo dỡ , làm sạch và lắp ghép lại. - Những vật liệu làm gasket không phù hợ p vớ i tất cả các dòng. - Nhiệt độ và áp suất làm việc tươ ng đối thấp hơ n so vớ i độ chịu đựng của vật liệu. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm có nhiều ưu điểm nổi bật hơ n so vớ i loại thiết bị kiểu ống chùm. Tuy nhiên, trong công nghệ lọc dầu vẫn sử dụng thiết bị kiểu ống chùm phổ biến hơ n, điều đó có thể là do kinh nghiệm sử dụng, các phươ ng pháp tính toán thủy động học rõ ràng, quá trình làm việc của thiết bị ổn định trong điều kiện nhiệt độ , áp suất và môi trườ ng khác nhau
3. Các thông số cần giám sát đối vớ i thiết bị trao đổi nhiệt loại shell and tube
exchanger, reboiler, plate exchanger: - Nhiệt độ vào và ra của lưu thể nóng. - Nhiệt độ vào và ra của lưu thể nguội. - Lưu lượ ng của lưu thể nóng đi qua thiết bị. - Lưu lượ ng của lưu thể nguội đi qua thiết bị. - Chênh áp của lưu thể nóng tại đầu vào và ra của thiết bị. - Chênh áp của lưu thể nguội tại đầu vào và ra của thiết bị. - Mức lỏng phần shell side( đối vớ i một số loại thiết bị trao đổi nhiệt). - Nhiệt độ dòng hơ i đi ra đối vớ i các thiết bi trao đổi nhiệt có chức năng bốc hơ i hoặc đun sôi lại. IV. Sự đóng cặn bẩn trong thiết bị trao đổi nhiệt: Các nguyên nhân gây đóng cáu bẩn: • Sự đóng cáu bẩn của thiết bị trao đổi nhiệt có thể là kết quả từ sự tích tụ của cặn gỉ hoặc chất bẩn trong thiết bị trao đổi nhiệt. • Cặn nướ c có thể làm bẩn ống trao đổi nhiệt của thiết bị làm lạnh hoặc ngưng tụ.
26
. • Thông thườ ng, vật chất bám bẩn bề mặt dầu không thể loại bỏ ngay bằng phươ ng pháp đơ n giản. Khi cần thiết, hệ thống chùm ống (tube bundle) phải đượ c tháo ra để làm sạch. Tuy nhiên cặn nướ c có thể loại bỏ mà không cần kéo chùm ống ra khỏi vỏ. Cặn nướ c có thể là bùn, bã, bùn cát, và/ hoặc cặn gỉ. Loại bỏ vật chất gây đóng cáu: Nếu vạt chất gây đóng cáu là bụi: • Việc sử dụng dòng nướ c rửa có thể cải thiện một cách đáng kể hiệu suất làm việc • Việc đảo ngượ c dòng chảy tức thờ i, lực của dòng nướ c sẽ đánh bật táp chất bám chặt từ cuối ống trao đổi nhiệt và loại bỏ đượ c một ít bùn bẩn trên thành ống. • Có một vài cách sắp xếp làm cho nó có thể đạt đượ c hiệu quả làm việc như thiết kế mà không phải dừng thiết bị. Cáu cặn nướ c hình thành có thể đượ c loại bỏ mà không phải tháo rờ i thiết bị trao đổi nhiệt bằng việc sử dụng hóa chất làm sạch. Cặn nướ c đượ c loại bỏ bằng biện pháp cơ học và đượ c hoàn thành bở i áp lực phun nướ c rửa. Làm sạch cơ học của cáu bẩn bề mặt dầu có thể thực hiện một số cách. Khoan, hơ i nướ c, phun cát có thể đượ c sử dụng để làm sạch bề mặt ống. Bề mặt vỏ cũng thườ ng đượ c lau chùi bằng tay hay rửa bằng nướ c áp suất cao. Hóa chất cũng có thể đượ c sử dụng để làm sạch cáu bẩn này
V. Nhữ ng cách để giảm việc bảo dưở ng sử a chữ a ( tips to reduce maintenance) Vận hành viên là ngườ i có ảnh hưở ng rất lớ n đến trong việc giảm quá trình bảo dưỡ ng và cải thiện hiệu suất vận hành. Bằng việc tuân thủ chặt chẽ các qui trình vận hành, sự nhận thức rõ tác hại của việc không tuân thủ qui trình vận hành sẽ ảnh hưở ng lên tuổi thọ thiết bị, vận hành viên có thể ngăn ngừa sự hư hỏng và sự mất khả năng của thiết bị Một vài ví dụ có thể giúp chúng ta giảm bảo dưỡ ng, tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt: • Duy trì chính xác nhiệt độ dầu ra nướ c làm mát (không đượ c vượ t quá 125oF) Nếu làm sai khuyến cáo này có thể dẫn tớ i kết quả: 1. Đóng cặn quá nhiều trên thành ống. 2. Tăng tốc độ ăn mòn các phần của thiết bị trao đổi nhiệt. 3. Biến dạng, thay đổi tính chất cơ học của các ống đổi nhiệt. • Tránh dẫn dòng hơ i có nhiệt độ cao vào thiết bị trao đổi nhiệt trướ c khi dòng môi chất lạnh đượ c thiết lập. Nó có thể ngăn chặn đượ c ứng suất quá mức cho kim loại. • Duy trì lưu lượ ng dòng thích hợ p qua thiết bị trao đổi nhiệt để làm sạch cáu bẩn trong chùm ống và duy trì tốc độ gia nhiệt trong giớ i hạn thiết kế để tránh quá nhiệt. • Vận hành trong giớ i hạn thiết kế để ngăn ngừa sự vượ t quá ứng suất kim loại. • Sử dụng các bộ bẩy hơ i ( steam traps) ở những thiết bị gia nhiệt bằng hơ i nướ c để duy trì áp suất hơ i tối đa trong thiết bị trao đổi nhiệt. Sự rò của các steam traps này sẽ làm cho sự tiêu thụ steam vượ t quá mức, giảm hệ số truyền nhiệt 27
. toàn phần và phá hỏng các thiết bị cung cấp steam như đườ ng ống, các gối đỡ ( support), các van… vì hiện tượ ng “ HAMMERING”. • Ngăn ngừa một cách cận thận việc sử dụng hơ i nướ c quá nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt đượ c thiết kế cho hơ i bão hòa nhiệt. Hơ i quá nhiệt trong ống giảm tốc độ truyền toàn phần khoảng 10 lần và có thể ây quá nhiệt thiết bị VI. Vận Hành: 1. Đảm bảo toàn bộ hệ thống đượ c làm sạch trướ c khi bắt đầu vận hành để ngăn ngừa sự bịt( plugging) các ống truyền nhiệt, phần vỏ thiết bị(shell side) do sự di chuyển các cặn bẩn. Nên sử dụng các bộ lọc ( strainer hoặc settling tanks) trên các đườ ng ống dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt. 2. Mở các van vent trướ c khi khở i động. 3. Khở i động một cách từ từ. Tham khảo bảng sau, qui trình start up và shut down cho hầu hết sự áp dụng của thiết bị trao đổi nhiệt. 4. Sau khi hệ thống đượ c điền đầy hoàn toàn bở i môi chất vận hành, không khí đã đượ c vent hoàn toàn, đóng tất cả các van vent lại. 5. Siết chặt lại tất cả các ốc, các điểm nối, vòng đệm(gasket) khi thiết bị đạt đến nhiệt độ vận hành để ngăn ngừa rò rỉ và hư hỏng các vòng đệm. 6. Không đượ c vận hành các heat exchanger quá áp suất và nhiệt độ thiết kế. 7. Ngăn ngừa một cách cẩn thận water hammer(hammering), xả nướ c ngưng tụ trong các thiết bị steam heat exchanger cũng như các thiết bị tươ ng tự khi thực hiện khở i động và dừng. 8. Xả tất cả lỏng khi thực hiện dừng để loại trừ sự đông lạnh hoặc ăn mòn có thể xảy ra. 9. Tất cả các thiết bị lắp đặt không nên bị rung khi có dòng chảy vì sự rung động này sẽ làm giảm tuổi thọ thiết bị. 10. Không đượ c vận hành vớ i lưu lượ ng lớ n hơ n thiết kế vì lưu lượ ng lớ n này co thể gây rung động và phá vỡ chum ống. 11. Các heat exchanger không đượ c đưa vào vận hành trong thờ i gian dài nên đượ c bảo vệ để tránh sự ăn mòn. Nếu các heat exchanger không đượ c đưa vào vận hành trong thờ i gian ngăn và sử dụng nướ c như là môi chất thì phải xả lỏng và thổi bằng không khí nóng một cách cẩn thận. Nếu không thể thực hiện điều này thì nên sử dụng nướ c tuần hoàn hằng ngày qua thiết bị để ngăn ngừa nướ c đọng có thể gây ăn mòn thiết bị.
28
.
VII. Sự bảo dưỡ ng: Thực hiện bảo dưỡ ng theo các bướ c hướ ng dẫn sau đây:
29
.
30
